纤维素与ZIF-67衍生的Co-Cu氮掺杂石墨碳反应器：吸附-PMS协同高效降解环境中的亚甲基蓝

本研究针对传统吸附法难以降解有机污染物及高级氧化技术中金属离子溶出的问题，通过简单复合工艺构建了以木材为基底的生物炭反应器结构，封装Co-Cu双金属氮掺杂石墨碳材料。该材料在1分钟内实现亚甲基蓝(MB)100%降解，5次循环后仍保持95%去除率，并阐明了吸附-PMS活化协同机制，为有机污染物治理提供了高效稳定的新型材料解决方案。

　　

合成染料工业的蓬勃发展带来了严峻的环境挑战，其中亚甲基蓝(MB)作为典型有机染料，不仅阻碍水体自净能力，还可能形成致癌副产物。传统吸附法虽操作简便却无法彻底分解污染物，而新兴的高级氧化工艺(AOPs)中，过一硫酸盐(PMS)活化技术又面临金属催化剂稳定性差、制备复杂等瓶颈。如何开发兼具高效降解能力和环境友好特性的材料，成为水处理领域的重大课题。

青岛大学的研究团队创新性地将木材衍生生物炭与金属有机框架(MOFs)材料结合，通过简易的碳化封装工艺制备出Cu-Co@CC复合材料。该材料在《Inorganic Chemistry Communications》发表的研究中展现出惊人性能：1分钟内完全降解MB，宽pH范围内保持稳定活性，且金属溶出量极低。研究揭示了吸附浓缩与PMS非自由基氧化路径的协同机制，为设计"吸附-催化"一体化环境材料提供了新范式。

关键技术包括：以巴尔沙木为前体制备多孔纤维素碳骨架；通过pH调控原位生成ZIF-67包覆的铜氢氧化物；氮气氛围下热解构建石墨化碳基质；采用淬灭实验和EPR检测阐明活性氧物种。

研究结果

1. 材料设计与表征：SEM显示木材的天然管状结构碳化后形成流体通道，XPS证实Cu⁺/Cu²⁺和Co²⁺/Co³⁺氧化还原对的共存，BET测试显示材料具有高达621.3 m²/g的比表面积。
2. 催化性能：在0.1 g/L催化剂和0.5 mM PMS条件下，50 mg/L MB的降解速率常数达4.21 min^-1，远超单一金属催化剂。
3. 机理分析：EPR和淬灭实验证明单线态氧(¹O₂)为主导活性物种，XRD显示碳化形成的石墨烯层有效阻止了金属团聚。
4. 实际应用：在河水、自来水等真实水体中仍保持90%以上降解率，5次循环后Co溶出量仅为0.028 mg/L。

结论与意义
该研究通过"生物模板-ZIF封装"策略构建的双功能材料，实现了污染物吸附富集与界面催化降解的时空协同。石墨化碳层不仅提升了电子传导效率，其物理限域作用更有效抑制了金属溶出。特别值得注意的是，材料对MB的吸附容量(476.2 mg/g)与催化效率的协同提升，验证了"吸附浓缩-界面反应"的增强机制。这种基于天然木材的绿色合成方法，为规模化生产高效水处理材料提供了可能，其揭示的非自由基主导降解路径对复杂水体环境治理具有重要指导价值。研究获得国家自然科学基金和山东省泰山学者计划支持，第一作者张银晓与通讯作者李延辉教授的团队在环境功能材料领域持续产出创新成果。